الرياضيات المتقطعة: حزمة المراجعة المكثفة

أوراق القوانين، وأهم خطوات الحل لكل موضوع، و8 مسألة تدريبية، مع الحلول الكاملة في الخلف.

مسائل جديدة العودة إلى المقرّر

في نافذة الطباعة اختر «حفظ بصيغة PDF» لحفظ نسخة على جهازك.

1القوانين وطرق الحل

المنطق القضوي والبراهين

صفوف جدول الصدق: 2ⁿ
الاستلزام: p → q ≡ ¬p ∨ q ≡ ¬q → ¬p
نفي الاستلزام: ¬(p → q) ≡ p ∧ ¬q
الشرط الثنائي: p ↔ q ≡ (p → q) ∧ (q → p)
دي مورغان: ¬(p ∧ q) ≡ ¬p ∨ ¬q, ¬(p ∨ q) ≡ ¬p ∧ ¬q
قوانين التوزيع: p ∨ (q ∧ r) ≡ (p ∨ q) ∧ (p ∨ r), p ∧ (q ∨ r) ≡ (p ∧ q) ∨ (p ∧ r)
نفي الكمّمات: ¬∀x P(x) ≡ ∃x ¬P(x), ¬∃x P(x) ≡ ∀x ¬P(x)
قاعدة الوضع (modus ponens) وقاعدة الرفع (modus tollens): p → q, p ⊢ q; p → q, ¬q ⊢ ¬p

الطريقة

عُدّ المتغيرات المختلفة: لجدول الصدق 2ⁿ صفًا، ويبدأ بصف تكون فيه كلها 1.
أعطِ كل صيغة جزئية عمودها الخاص واملأ الأعمدة من الداخل إلى الخارج.
طبّق قاعدة كل رابط: → يساوي 0 فقط في الحالة 1 → 0، و ↔ يساوي 1 عندما يتفق الطرفان.
للتكافؤات قارن العمودين الأخيرين صفًا بصف؛ وللحجة انظر فقط إلى الصفوف التي تكون فيها كل المقدمات 1.
لنفي عبارة مكمَّمة، انقل ¬ إلى الداخل، وبدّل ∀ و ∃، وانفِ الصيغة الداخلية.

المجموعات والعلاقات والدوال

مجموعتان: |A ∪ B| = |A| + |B| − |A ∩ B|
ثلاث مجموعات: |A ∪ B ∪ C| = |A| + |B| + |C| − |A ∩ B| − |A ∩ C| − |B ∩ C| + |A ∩ B ∩ C|
الفرق والمتممة: A − B = A ∩ B′, |A′| = |U| − |A|
مجموعة القوى والجداء الديكارتي: |𝒫(A)| = 2^|A|, |A × B| = |A|·|B|
المجموعات الجزئية ذات الحجم k: C(n, k) = n!/(k!(n − k)!)
الدوال A → B: nᵐ; injective n!/(n − m)!; surjective Σ (−1)ᵏ C(n, k)(n − k)ᵐ
العلاقات على n عنصرًا: 2^n²; reflexive 2^{n² − n}; symmetric 2^n(n+1)/2
التركيب: (g ∘ f)(x) = g(f(x))

الطريقة

ارسم مخطط فن وقرّر منطقةً منطقةً ما ينتمي إلى تعبير المجموعات.
في مسائل العدّ املأ المناطق من المركز نحو الخارج: كل المجموعات أولًا، ثم الأزواج، ثم المجموعات المفردة، ثم الخارج.
استخدم مبدأ الاشتمال والاستبعاد للتحقق: |A ∪ B| = |A| + |B| − |A ∩ B|.
لعلاقة ما، اختبر كل خاصية على كل زوج وأعطِ مثالًا مضادًا واحدًا عندما تفشل.
لدالة ما، عُدّ الأسهم الواصلة إلى كل عنصر من B: سهم واحد على الأكثر يعني متباينة، وسهم واحد على الأقل يعني شاملة.

نظرية البيانات

مبرهنة المصافحة: Σ deg(v) = 2|E|
البيانات التامة: |E(K_n)| = n(n − 1)/2, |E(K_m,n)| = m·n
البيان المنتظم: |E| = n·k/2
الشجرة والغابة: |E| = n − 1, |E| = n − c
أوراق الشجرة: L = 2 + Σ (deg(v) − 2) over deg(v) ≥ 3
أويلر: الدارة: كل الدرجات زوجية؛ المسار: درجتان فرديتان بالضبط
دارات هاملتون في K_n: (n − 1)!/2
تحديث ديكسترا: d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v))
المسارات (walks) بطول L: (Mᴸ)_ij

الطريقة

اكتب درجة كل رأس؛ مجموع الدرجات يساوي ضعف عدد الحواف.
في أسئلة أويلر، تحقّق من أن البيان متصل وعُدّ الرؤوس ذات الدرجة الفردية.
للأشجار استخدم n − 1 حافة ومبرهنة المصافحة.
في ديكسترا احتفظ بجدول للمسافات المؤقتة وثبّت في كل جولة أصغر رأس غير مثبّت.
لإيجاد شجرة ممتدة دنيا، رتّب الحواف بحسب الوزن وتخطَّ كل حافة تُغلق دورة (كروسكال)، أو أنمِ شجرة واحدة انطلاقًا من رأس البداية (برايم).

نظرية الأعداد والحساب المودولي

القسمة مع الباقي: a = q·n + r, 0 ≤ r < n
إقليدس: gcd(a, b) = gcd(b, a mod b)
المضاعف المشترك الأصغر: lcm(a, b) = a·b/gcd(a, b)
المعكوس: a·a⁻¹ ≡ 1 (mod n), gcd(a, n) = 1
التطابق الخطي: a·x ≡ b → x ≡ a⁻¹·b (mod n)
دالة أويلر φ: φ(n) = n·∏(1 − 1/p), φ(pᵏ) = pᵏ − pᵏ⁻¹
فيرما: aᵖ⁻¹ ≡ 1 (mod p)
RSA: n = pq, φ = (p − 1)(q − 1), d = e⁻¹ mod φ, c = mᵉ mod n, m = cᵈ mod n

الطريقة

اختزل كل عدد بالنسبة إلى n أولًا؛ البواقي تقع بين 0 و n − 1.
للقاسم المشترك الأكبر، اقسم مرارًا بخوارزمية إقليدس؛ آخر باقٍ غير صفري هو القاسم المشترك الأكبر.
للمعكوس، نفّذ الخوارزمية الموسّعة واحتفظ بمعامل a؛ أضف n إذا كان سالبًا.
حلّ a·x ≡ b بالضرب في a⁻¹؛ ولدمج تطابقين اكتب x = r₁ + m₁k.
للقوى اكتب الأس بالنظام الثنائي وربّع مرارًا؛ وفي RSA، d = e⁻¹ mod φ(n) مع φ(n) = (p − 1)(q − 1).

2مسائل تدريبية

1.المنطق القضوي والبراهينمتوسطة

أي صيغة تكافئ ¬(q ∧ p) منطقيًا؟ انقر عليها.

¬(q ∧ p)

1¬q ∨ ¬p
2¬q ∧ p
3¬q ∧ ¬p
4¬q ∨ p

2.المنطق القضوي والبراهينصعبة

أي عبارة تكافئ ¬∃x P(x) مع نقل النفي إلى الداخل تمامًا؟ انقر عليها.

¬∃x P(x)

1∀x P(x)
2∃x ¬P(x)
3∀x ¬P(x)
4∃x P(x)

3.المجموعات والعلاقات والدوالمتوسطة

العلاقة R على {1, 2, 3, 4} مرسومة كبيان موجَّه (الحلقة تعني (x, x) ∈ R). خاصية واحدة بالضبط من الخصائص الأربع صحيحة. انقر عليها.

R = {(1, 1), (1, 2), (1, 3), (1, 4), (3, 2), (4, 1), (4, 2), (4, 3), (4, 4)}

1انعكاسية
2متماثل
3ضد تناظرية
4متعدية

4.المجموعات والعلاقات والدوالصعبة

كم دالة متباينة (واحد لواحد) f: A → B توجد إذا كان |A| = 2 و|B| = 4؟ سمِّ العدد N.

|A| = 2|B| = 4

N =

5.نظرية البياناتمتوسطة

لشجرة 3 رؤوس من الدرجة 3, 3 رؤوس من الدرجة 4, 4 رؤوس من الدرجة 5, 4 رؤوس من الدرجة 2، وكل رؤوسها الأخرى أوراق (درجة 1). كم ورقة L لها؟

3 × deg 33 × deg 44 × deg 54 × deg 2

L =

6.نظرية البياناتصعبة

جد الوزن الكلي W لشجرة ممتدة دنيا في البيان الموزون.

|V| = 6|E| = 9

W =

7.نظرية الأعداد والحساب المودوليمتوسطة

حلّ 68x ≡ 63 (mod 97). أعطِ الحل x مع 0 < x < 97.

68x ≡ 63 (mod 97)

x =

8.نظرية الأعداد والحساب المودوليصعبة

يستخدم مفتاح RSA القيم p = 11 و q = 37 و e = 11. فكّ تشفير النص المشفّر c = 395: جد الرسالة m.

p = 11q = 37e = 11c = 395

m =

3المحاليل

1.المنطق القضوي والبراهين

الإجابة: ¬q ∨ ¬p

التكافؤ المنطقي: تتكافأ صيغتان (≡) عندما يكون لهما القيمة نفسها في كل صف من جدول الصدق. الحشو يساوي 1 في كل صف، والتناقض يساوي 0 في كل صف، والممكن ليس هذا ولا ذاك. قوانين مفيدة: دي مورغان، ¬(a ∧ b) ≡ ¬a ∨ ¬b و ¬(a ∨ b) ≡ ¬a ∧ ¬b؛ و a → b ≡ ¬a ∨ b ≡ ¬b → ¬a (العكس النقيض)؛ و ¬(a → b) ≡ a ∧ ¬b؛ وقوانين التوزيع، a ∨ (b ∧ c) ≡ (a ∨ b) ∧ (a ∨ c).

القانون

دي مورغان: ¬(a ∧ b) ≡ ¬a ∨ ¬b. تتحول ∧ إلى ∨ ويُنفى الجزآن.

¬(q ∧ p) ≡ ¬q ∨ ¬p

تحقق بجدول الصدق

p = 1, q = 1: 0 | 0 0 0 1

p = 1, q = 0: 1 | 1 1 0 1

p = 0, q = 1: 1 | 1 0 0 0

p = 0, q = 0: 1 | 1 0 1 1

الإجابة

¬q ∨ ¬p

الأعمدة بعد الشريط هي الخيارات بالترتيب المعروض.

2.المنطق القضوي والبراهين

الإجابة: ∀x ¬P(x)

الكمّمات والحجج: ¬∀x P(x) ≡ ∃x ¬P(x) و ¬∃x P(x) ≡ ∀x ¬P(x). انقل النفي إلى الداخل، وبدّل كل كمّم يمرّ به، وانفِ الصيغة الداخلية بقوانين المنطق القضوي، مثل ¬(a → b) ≡ a ∧ ¬b. تكون الحجة صحيحة عندما يكون الاستنتاج 1 في كل صف تكون فيه كل المقدمات 1. صف واحد بمقدمات صائبة واستنتاج خاطئ هو مثال مضاد ويبيّن أن الحجة غير صحيحة.

انقل النفي إلى الداخل

¬∃x P(x) ≡ ∀x ¬P(x)

الإجابة

∀x ¬P(x)

الخيارات الأخرى إما تُبقي كمّمًا دون تغيير، أو تغيّر ترتيب الكمّمات، أو تنفي الصيغة الداخلية نفيًا خاطئًا.

3.المجموعات والعلاقات والدوال

الإجابة: متعدية

العلاقات: العلاقة R على مجموعة X هي مجموعة أزواج مرتبة (x, y). تكون R انعكاسية عندما (x, x) ∈ R لكل x في X؛ وتناظرية عندما يرافق (x, y) ∈ R دائمًا (y, x) ∈ R؛ وضد تناظرية عندما يكون (x, y) و(y, x) كلاهما في R فقط إذا x = y؛ ومتعدية عندما يفرض (x, y) و(y, z) في R أن (x, z) ∈ R. علاقة التكافؤ انعكاسية وتناظرية ومتعدية، وتقسّم X إلى صفوف منفصلة.

انعكاسية

تفشل: (2, 2) ∉ R

متماثل

تفشل: (1, 2) ∈ R, (2, 1) ∉ R

ضد تناظرية

تفشل: (1, 4), (4, 1) ∈ R

متعدية

تتحقق

الإجابة

متعدية

4.المجموعات والعلاقات والدوال

الإجابة: N = 12

الدوال والعدّ: الدالة f: A → B تعطي كل عنصر من A صورة واحدة بالضبط في B. تكون f متباينة (واحد لواحد) عندما تكون للعناصر المختلفة صور مختلفة، وشاملة (onto) عندما يكون كل عنصر من B صورة، وتقابلية عندما يتحقق الأمران. مع |A| = m و|B| = n توجد nᵐ دالة، منها n!/(n − m)! متباينة (m ≤ n)، وبالاشتمال والاستبعاد Σ (−1)ᵏ·C(n, k)·(n − k)ᵐ شاملة. |𝒫(A)| = 2ᵐ و|A × B| = m·n.

عُدّ

N = 4!/(4 − 2)! = 12

الإجابة

N = 12

5.نظرية البيانات

الإجابة: L = 23

أويلر وهاملتون والأشجار: لبيان متصل دارة أويلر (كل حافة مرة واحدة، والعودة إلى البداية) عندما تكون لكل رأس درجة زوجية، ومسار أويلر ليس دارة عندما تكون لرأسين بالضبط درجة فردية؛ ويسير المسار عندئذ من أحد الرأسين الفرديين إلى الآخر. تزور دارة هاملتون كل رأس مرة واحدة؛ وفي K_n منها (n − 1)!/2. للشجرة على n رأسًا n − 1 حافة، ويحتفظ بيان متصل ذو m حافة بشجرة ممتدة بعد حذف m − n + 1 حافة.

مبرهنة المصافحة لشجرة

L + 49 = 2(L + 14) − 2

L = 23

الإجابة

L = 23

اختصار: L = 2 + Σ (d − 2) على الرؤوس ذات الدرجة d ≥ 3.

6.نظرية البيانات

الإجابة: W = 21

أقصر المسارات والأشجار الممتدة: تثبّت خوارزمية ديكسترا رأسًا واحدًا في كل جولة: الرأس غير المثبّت ذا أصغر مسافة مؤقتة. تصبح مسافته نهائية، ويأخذ كل جار v القيمة d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v)). تبني خوارزمية كروسكال شجرة ممتدة دنيا بأخذ الحواف من الأخف إلى الأثقل وتخطّي كل حافة تُغلق دورة؛ وتنمّي خوارزمية برايم شجرة واحدة من رأس البداية بإضافة أخف حافة تغادرها دائمًا. وللشجرة الممتدة على n رأسًا n − 1 حافة.

خوارزمية كروسكال

BC (1): خذ

EF (3): خذ

AC (4): خذ

BD (5): خذ

AB (6): تخطَّ، تُغلق دورة

CE (8): خذ

الوزن الكلي

W = 1 + 3 + 4 + 5 + 8 = 21

الإجابة

W = 21

7.نظرية الأعداد والحساب المودولي

الإجابة: x = 48

المعكوسات والتطابقات: للعدد a معكوس بالنسبة إلى n بالضبط عندما gcd(a, n) = 1. تكتب خوارزمية إقليدس الموسّعة 1 = s·n + t·a، ثم a⁻¹ ≡ t (mod n). التطابق a·x ≡ b (mod n) مع gcd(a, n) = 1 حلّه x ≡ a⁻¹·b. لتطابقين x ≡ r₁ (mod m₁) و x ≡ r₂ (mod m₂) بمقياسين أوليين فيما بينهما حل واحد بالنسبة إلى m₁·m₂ (مبرهنة الباقي الصينية). تعدّ φ(n) لأويلر الأعداد من 1 إلى n التي أولية مع n: φ(n) = n·∏(1 − 1/p).

معكوس 68

r = 97, t = 0

r = 68, q = 1, t = 1

r = 29, q = 2, t = −1

r = 10, q = 2, t = 3

r = 9, q = 1, t = −7

r = 1, q = 9, t = 10

68⁻¹ ≡ 10 (mod 97)

الحل

x ≡ 10·63 = 630 ≡ 48 (mod 97)

تحقّق: 68·48 = 3264 ≡ 63 (mod 97)

الإجابة

x = 48

8.نظرية الأعداد والحساب المودولي

الإجابة: m = 252

القوى المودولية وRSA: احسب aᵏ mod n بالتربيع المتكرر: اكتب k بالنظام الثنائي، وربّع، واختزل بعد كل خطوة، واضرب القوى التي بتّها 1. فيرما: aᵖ⁻¹ ≡ 1 (mod p) لعدد أولي p لا يقسم a، فيمكن اختزال الأس بالنسبة إلى p − 1. RSA: اختر عددين أوليين p و q، و n = p·q و φ(n) = (p − 1)(q − 1)؛ الأس العام e أولي مع φ(n)، والأس الخاص d = e⁻¹ mod φ(n). شفّر بـ c = mᵉ mod n وفكّ التشفير بـ m = cᵈ mod n.

الأس الخاص

n = 407, φ(n) = 360

d = 11⁻¹ mod 360 = 131

فك التشفير بالتربيع المتكرر

131 = 128 + 2 + 1

395¹ ≡ 395 (mod 407)

395² ≡ 144 (mod 407)

395⁴ ≡ 386 (mod 407)

395⁸ ≡ 34 (mod 407)

395¹⁶ ≡ 342 (mod 407)

395³² ≡ 155 (mod 407)

395⁶⁴ ≡ 12 (mod 407)

395¹²⁸ ≡ 144 (mod 407)

395¹³¹ ≡ 395·144·144 ≡ 252 (mod 407)

الرسالة

m = 252

تحقّق: 252¹¹ mod 407 = 395

الإجابة

m = 252

ExamProblems · examproblems.com/courses/discrete-mathematics